オゾンによる効率的消毒技術技術提案者：昭和エンジニアリング㈱１．技術概要大腸菌群等のグラム陰性菌は効率良く不活化される。ウイルス，芽胞形成細菌，クリプトスポリジウム等のシストやオーシスト形成原虫など塩素消毒耐性の病原微生物の消毒効果も期待される。 1.1 技術の原理本消毒技術は，合流式下水道における簡易処理水に，放流水路上流部等にオゾンを注入し，その強力な酸化力によって，消毒処理水の大腸菌群数を 3,000 個/cm3 以下とする技術である。雨天時には短時間に大量の簡易処理水が発生するため，消毒に必要な量のオゾンを確保するためには，大容量のオゾン発生装置が必要になるが，稼働率が非常に低くなるので不経済とならざるを得ない。本消毒技術は，晴天時に発生させたオゾンを貯蔵し，貯蔵したオゾンを雨天時に用いることで，オゾン発生装置の小容量化を可能とする技術である。オゾンは酸素原子 3 個の結合からなり，フッ素に次ぐ強力な酸化力がある。そのため多くの有機化合物，無機化合物を酸化するとともに，微生物細胞膜の破損や核酸の損傷，酵素やタンパク質の変性などで細菌，ウイルスを不活性化する。塩素消毒が，微生物の代謝系酵素反応に影響して消毒を行うことと比べ，その消毒原理は異なっている。 1.2 装置の構成本消毒技術は，晴天時に貯蔵したガス状オゾンを脱着・発生し，エジェクター等で簡易処理水に混合溶解した後，反応槽で滞留させることによって消毒を行うものである。晴天時に貯蔵するオゾンを発生させるオゾン発生設備，オゾンを貯蔵し消毒時に発生させるオゾン貯蔵設備，オゾンを簡易処理水に溶解するオゾン溶解設備および未反応オゾンを分解・無害化する排オゾン分解設備で構成される。合流式下水道における終末処理場からの雨天時放流水路等の上流にオゾン溶解装置を設置し，放流水路等を反応槽として用いる。本消毒設備の設備構成および主要機器の概要を図− １に示す。脱着コンプレッサ PSA 酸素発生機オゾン発生機オゾン発生設備オゾン貯蔵機冷凍機オゾン貯蔵設備汚水供給ポンプ排オゾン分解設備オゾン溶解装置オゾン反応槽（放流水路の一部改造・転用）オゾン溶解設備簡易処理水沈砂池最初沈殿池二次処理設備塩素混和池（既設）（既設）（既設）（既設）水の流れ図―１本技術の設備構成ガスの流れ本消毒技術の範囲２．開発研究 2.1 必要性能と技術評価の判断基準本技術の開発にあたっての技術評価対象項目ごとの必要性能，および本技術が簡易処理水の消毒技術として，必要性能を満足しているかどうかの判断基準を表 ―１に示す。 2.2 実験場所および実験期間表―２に実験概要を，写真―１に実証試験装置の写真を示す。また，図―２に実験装置のフロー図を示す。実証実験装置を広島県広島市千田下水処理場東系に設置し，簡易処理水を用いて実証運転を行った。表―１必要性能と技術評価の判断基準技術評価対象項目必要性能判断基準処理性能排出水中の大腸菌群数 3,000 個実証実験により，処理水の大腸菌群数が 3,000 個 /cm3 以下を達成すること。 /cm3 以下を達成することを確認する。消毒の能率化反応時間の短縮化について，必要な反応時間を定消毒効果を得るための時間が短量的に確認し，従来技術との比較から，消毒の効時間であること。率化が図られていることを検証する。下流側水域の安全性処理水が，下流側の水棲生物に与える影響が軽微消毒の結果，下流側水域の水棲生であることについて，必要に応じて遺伝毒性試物に与える影響が小さいこと。験，生態毒性試験などにより確認する。その他実証実験により，電力量等といったユーティリテ電力量等のコスト低減化を図るィの低減化などについての定量的な確認及びラこと。ンニングコストの経済性について検証を行う。表―２実証試験の概要実験場所広島市千田下水処理場実験期間平成 15 年 11 月∼平成 16 年 8 月実験設備概要設備実証実験機対象原水初沈出口水（簡易処理水）消毒剤注入点反応槽入口部消毒反応時間約 3∼10 分最大処理水量 10m3/h 消毒効果確認地点反応槽出口部 2.3 開発研究結果 2.3.1 処理性能及び消毒の能率化消毒反応時間と消毒効果の関係を把握するために，反応槽滞留時間を 3 分，4 分，5 分および 10 分と変化させた。消毒反応時間と消毒処理水大腸菌群数との関係を図−３に示す。これより，消毒処理水大腸菌群数は，試験を実施した範囲では，滞留時間には無関係であることが確認できる。したがって，消毒効果を得る写真―１実証試験装置写真ために必要な滞留時間は 3 分以上で良いことがわかる。以上の結果を踏まえて，反応槽滞留時間 3 分の条件で，実証実験機を用いた雨天時消毒実証試験を 3 回実施した。実験時の降雨状況および実験結果のまとめを表−３に示す。３回実施した実証実験のオゾン消費率は 10 ∼ 38mg/L の範囲（平均消費率 23.0mg/L），オゾン注入率は 12∼42mg/L（平均注入率 27.7mg/L）であった。オゾン貯蔵機ﾚｼｰﾊﾞﾀﾝｸ PG 除湿 M FIC 排ガス分解塔残留ｵｿﾞﾝ FI ＝脱着ｵｿﾞﾝ 5 4 冷凍機ｵｿﾞﾝ溶解装置 3 FI 2 FI 汚水ﾎﾟﾝﾌﾟNo.1 排ガス処理工程ｵｿﾞﾝ反応槽分解塔へ汚水貯槽より M M ﾋｰﾀｰ乾燥塔汚水ﾎﾟﾝﾌﾟNo.2 FI 脱着ｺﾝﾌﾟﾚｯｻｰ室内除害用返水槽汚水貯槽処理場東系初沈オゾン発生機返水槽へ図―２実証試験装置フロー 10 7 10 6 大腸菌群数（個/cm 3 ）実証試験結果より，簡易処理水を対象としたオゾンによる消毒は，開発技術の性能目標である消毒反応時間 5 分以内（実証実験では 3 分），消毒処理水中の大腸菌群数 3,000 個/cm3 以下をすべて満たし，良好な結果が得られることが確認できた。この時の消毒原水大腸菌群数は，9.2×104∼1.0×106 個/cm3 であった。なお，実験時の降雨状況は，最大降雨量が 4.2∼ 16.7mm/h，総降雨量が 14.1∼77.2mm であった。また，先行無降雨日数は 3∼19 日であった。 10 5 3,000個/cm 3 10 4 10 3 10 2 10 滞留時間＝３分滞留時間＝４分滞留時間＝５分滞留時間＝10分 1 2.3.2 下流側水域の安全性の検証オゾンおよび次亜塩素酸ナトリウムを雨天時簡易処理水に添加した試料について，遺伝毒性試験（umu 試験）および生態毒性試験（マイクロトックス試験）を実施し，下流側水域の安全性を検証した。 umu 試験結果を表−４に示す。消毒剤を添加していない消毒原水（簡易処理水）は 125 倍濃縮以上において変異原性陽性を示した。次亜塩素酸ナトリウムを添加した試料は 62.5 倍ないしは 125 倍濃縮で変異原性が陽性となった。それらに比べ，オゾンを添加した試料は表には示していないが，500 倍濃縮までは変異原性が陰性であり，オゾン消毒は，消毒原水や次亜塩素酸ナトリウム消毒処理水に比べてより安全性が高いと評価できる。次に，マイクロトックス試験を実施した結果を表− ５に示す。EC50 値が低いほど毒性が強いことを意味している。 0 10 20 オゾン消費率（mg/L） 30 図−２３消毒反応時間と処理水大腸菌群数消毒原水の EC50 値が 2.29％，次亜塩素酸ナトリウム消毒処理水のそれが 2.26％であったのに比べ，オゾン消毒処理水は，3.05∼6.89％であったため，オゾン消毒はより安全性が高いと評価できる。次に，消毒副生成物として臭素酸イオン濃度の分析を実施した。結果を，表−６に示す。いずれの試料についても臭素酸イオン濃度は水道水質基準である 0.01mg/L 以下であり，消毒剤の添加によって臭素酸が生成しないことが確認された。以上の結果より，オゾン消毒は次亜塩素酸ナトリウムによる消毒と比べ，下流側水域の安全性が同等，もしくはより高いことが確認された。表―３実証試験結果実験 No. 第一回第二回第三回調査日 H16.5.19∼20 H16.6.24∼25 H16.7.31∼8.1 第一回∼第三回データ先行無降雨日数（日） 4 3 19 − 最大降雨量(mm/hr) 4.2 10.4 16.7 − 総降雨量(mm) 14.1 31.6 77.2 − 消毒原水簡易処理水同左同左同左 3 同左同左同左 10 10∼23 （19.3） 12∼27 (23.1) 41∼90 （65） 0.01 120∼270 (231) 1.7×105∼ 6.7×105 1.0×10∼ 1.7×103 同左 11∼29 （20.8） 15∼34 (25.6) 38∼88 （73） 0.01 150∼340 (256) 9.2×104∼ 2.3×105 4.8×102∼ 1.5×103 同左 13∼38 （28.9） 14∼42 (34.4) 32∼90 （60） 0.01 140∼420 (344) 1.8×105∼ 1.0×106 1.9×10∼ 3.0×102 同左 10∼38 （23.0） 12∼42 (27.7) − 0.01 120∼420 (277) 9.2×104∼ 1.0×106 1.0×10∼ 1.7×103 2.5∼4.4 (3.1) 2.1∼3.3 (2.6) 3.5∼4.0 (3.7) 2.1∼4.0 (3.1) 反応槽接触時間(分) 処理水量（m3/h）オゾン消費率(mg/L) （平均値）オゾン注入率(mg/L) （平均値）発生オゾン濃度(g/ｍ3) （平均値）発生オゾン圧力(MPa) 発生オゾン量（g/h）（平均値）大腸菌群数消毒原水 (個/cm3) 消毒処理水大腸菌群数不活化率（Log）消毒処理水 (平均値）表−４遺伝毒性試験結果（umu 試験）表−６消毒副生成物分析結果（臭素酸イオン） +S9 -S9 +S9 -S9 次亜塩素酸ナトリウム消毒処理水次亜注入率 15mg/L +S9 -S9 125 ＋＋ − − ＋＋＋ 62.5 − − − − ＋ − 31.25 − − − − − − 試料濃消毒原水縮倍率オゾン消毒処理水オゾン消費率 30.9mg/L 表―５生態毒性試験結果（ﾏｲｸﾛﾄｯｸｽ試験）試料名消毒原水オゾン消毒処理水次亜消毒処理水オゾン消費率または次亜注入率（mg/L） − 試験結果濃縮なし５分後 EC50（％） 2.29 30.9 6.89 39.2 3.15 47.7 3.05 15 2.26 試料名消毒原水オゾン消毒処理水次亜消毒処理水オゾン消費率または次亜注入率（mg/L） − 臭素酸イオン濃度（mg/L）＜0.01 30.9 ＜0.01 39.2 ＜0.01 47.7 ＜0.01 15 ＜0.01 2.3.3 経済性比較処理水量 10,000m3/h の処理場を対象として，本消毒技術を適用した場合の年間ランニングコストと，高級処理における次亜塩素酸ナトリウムの年間ランニングコストとの比較を表―７に示す。本消毒技術を簡易放流水に適用した場合，年間ランニングコストは二次処理における消毒で年間消費する次亜塩素酸ナトリウム費用の 23.9％程度と試算された。表―７年間ランニングコスト比較項目オゾン消毒次亜塩素消毒簡易処理水高級処理水大腸菌群数最大 7×105 個/cm3 − 消毒剤注入率平均 38mg/L （オゾン注入率）平均 3mg/L（次亜塩素酸ﾅﾄﾘｳﾑは有効塩素濃度 12%とする。）オゾン消費率平均 23mg/L − − 30 円/kg とする 5.50 円/m3 0.75 円/m3 年間処理水量 120Qm3/年 (2×Qm3/h×3h×20 日/年） 8,760Qm3/年 (Q×24h×365 日/年）電力基本料金を含まない年間ランニングコスト 6,600,000 円/年 (5.5 円/ｍ3×120Qｍ3/年） 65,700,000 円/年（0.75 円/ｍ3×8,760Qｍ3/年）消毒対象原水消毒剤単価処理水量あたりのランニングコスト年間電力基本料金 9,080,000 円/年年間ランニングコスト比微少であるため考慮しない。 23.9 100 2.3.4 技術の評価本技術の評価結果を表―８に示す。表―８本消毒技術の評価結果技術評価対象項目処理性能消毒の能率化開発目標（必要性能）評価結果排出水の大腸菌群数 3,000 個/cm3 以簡易処理水に対し，反応時間 5 分以下を達成すること。内で，処理水の大腸菌群数を 3,000 3 消毒効果を得るための時間が短時個/cm 以下とすることができ，必要性能を有すると認められる。間であること。下流側水域の安全性簡易処理水に対し，消毒を十分できうる添加条件で消毒剤を添加した消毒の結果，下流側水域の水棲生物場合に，従来技術による消毒と比較して，安全性が同程度あるいはよりに与える影響が小さいこと。高いと判断され，必要性能を有すると認められる。その他薬品量・電力量が実用範囲であり，薬品量・電力量の低減化を図るこ既存施設への組み込みが可能であと。ると認められる。 (1) 処理性能および消毒の能率化 ① 実証プラントでの実証運転により，下水処理場からの簡易処理水にオゾンを注入することによって，消毒処理水大腸菌群数を 3,000 個/cm3 以下とすることができた。 ② 処理水大腸菌群数を 3,000 個/cm3 以下とするのに必要なオゾン消費率は，降雨開始初期から 2 時間程度の消毒原水が高濃度である時間帯は，最大 38mg/L（オゾン注入率 47.5mg/L 程度），平均消費率は 23mg/L（注入率 28.8mg/L 程度）であった。 ③ 処理水大腸菌群数を 3,000 個/cm3 以下とするのに必要な反応時間は 3 分以上で良いことが確認された。以上の結果より，本技術は，下水処理場からの簡易処理水に対して，次亜塩素酸ナトリウムによる消毒よりも短時間で処理水大腸菌群数を 3,000 個/cm3 以下とすることができることが確認された。 (2) 下流側水域の安全性 ① オゾン消毒剤を簡易処理水に注入したときの umu 試験，マイクロトックス試験において，その毒性は次亜塩素酸ナトリウムと比べて軽減されることが認められた。 ② 消毒副生成物として，消毒処理水の臭素酸イオン生成量を測定した試験において，次亜塩素酸ナトリウムと同等であり，その値は水道水水質基準値以下であった。以上の結果より，本技術の下流側水域の安全性は，次亜塩素酸ナトリウムによる消毒と比較して同程度以上であり問題のないことが確認された。 (3) 経済性および実用性本技術を実施設に導入した場合の経済性および実用性を検討した結果，本技術は既存設備への組込が可能であると考えられる。また，年間ランニングコストも，標準的な二次処理における次亜塩素酸ナトリウム消毒に要する年間費用の 24％程度であり，実用範囲内であると考えられる。３．技術の特徴本消毒技術の特徴を以下に示す。 ①短時間での消毒が可能 3∼5 分程度の短時間で簡易処理水等の消毒が可能であるため，塩素混和池等といった十分な接触時間を確保できる施設が無い場合にも適応可能である。 ②脱色・脱臭作用が期待できるオゾンの酸化力を利用した消毒法のため，処理水の脱色・脱臭作用が期待できる。 ③経済的にオゾンを発生・利用できるオゾンの発生には高濃度酸素を原料としたオゾン発生機を用いること，さらには夜間の安価な電気を利用してオゾンを生成すること，及びオゾン貯蔵機に小型オゾン発生機を利用して必要量のオゾンを貯めておくことができること等から経済的にオゾンを発生・利用できる。 ④ウイルス等の不活化効果が期待できる細菌の消毒以外にクリプトスポリジウム等の原虫およびウイルスの除去などにもその低減・不活化効果が期待できる。 ⑤消毒処理水の安全性が高いオゾンそのものは処理後酸素に変換すること，さらにはオゾンとの反応後に生成する副生成物は少ないことなどから処理水の安全性は他の方式に比較し高いと考えられる。４．留意事項本技術を計画・設計するにあたっての留意事項を示す。 (1) 設備容量設計上の留意点設備の容量を計画するにあたっては，建設コストを最小とするために，以下の点に留意する必要がある。オゾン貯蔵機容量を増加し，降雨頻度の小さい季節にあらかじめ貯蔵する計画とすることによって，オゾン発生機容量を小型化することができる。したがって，設備容量の設計にあたっては，オゾン貯蔵機容量を増加するための費用とオゾン発生機を小型化できることによって削減できる費用を勘案し，総建設コストが最小となる計画を策定する必要がある。 (2) オゾン貯蔵性に関する留意点オゾン貯蔵機に貯蔵されたオゾン量は，実証実験装置では 4 週間経日的な変化のないことが確認されているが，それ以上の貯蔵期間についてはオゾン量の変化が確認されていない。しかしながら，実施設では 4 週間以上無降雨が継続することもある。そのような場合には貯蔵オゾン量が減少している可能性もあるため，オゾンを追加貯蔵する等の対応を考慮することになる。